锂离子电池脉冲充电研究进展

锂离子电池脉冲充电研究进展

作者：吴冰冰

来源：《科学与财富》2018年第16期

摘要：锂离子电池在生活中已得到广泛使用，但其仍存在充电耗时、电能损耗大、极化严重等缺点。为实现锂离子电池大容量高效快速充电，多个研究发现脉冲快速充电能消除极化反应，与此同时，该充电方式不仅能提高电池的使用寿命，还可大幅度提高充电速度与增加充电容量。

关键词：锂离子电池；脉冲；充电

研究者对锂离子电池充电的研究已有相当一段历史，同时，也取得了许多重大的进展，在各个领域中的应用也随之广泛。锂离子电池得以成功的占据人们生活的一部分，很大一部分原因是锂离子电池的优势：稳定的放电电压、较广泛工作的温度范围、较低的自放电率以及无记忆效应。而仍存在充电耗时、电能损耗大、极化严重等缺点，对电池的性能损耗较大，因此，针对大容量锂离子电池对充电速率较高的需求，研究人员对此进行了许多研究，同时也取得了重大进展，本文就锂离子电池的脉冲充电研究进展方面作出综述。

首先，了解常见的锂离子电池的充电方式：恒压充电、恒流充电、恒流恒压充电等充电方式。作为最简单的一种充电方式——恒压充电，其操作简单方便，但是在恒定电压下，电流的电流不断减小，充电速率也在随之降低，因此所需的充电时间长。另一种电流不变的恒流充电方式，其电流在充电后期会超过最大可充电电流，因此无法充满电池。此外，恒流恒压充电是锂离子电池目前广泛采用的充电方式，分为恒流和恒压两个阶段。在恒流阶段，充电电流保持恒定，电池端电压持续上升。当端电压上升到充电截止电压时改为恒压充电，此阶段电池端电压保持恒定，充电电流不断减小。

而在脉冲充电中，加入负脉冲不仅能强制性的去极化，除此以外，还可提高充电电流的接受率，增加充入容量。另外，间歇充电是一种自然的去极化方式，加入间歇时间可以进一步消除极化效应。脉冲快速充电是一种结合了负脉冲和间歇时间的充电方式，第一阶段，锂电池电荷容量较低，此时电流接受率很强，因此可以采用大电流进行充电；第二阶段，进行一小段时间的负脉冲充电，及时消除极化效应，同时提高电流接受率；第三阶段，停充一段时间进一步消除极化效应。如此循环往复，直至电池电压达到截止电压时停止充电。

另一研究报告“动力锂离子电池部分荷电和深度放电状态下的脉冲充电技术”显示，设计的间歇-正负脉冲智能充电器可以实现正、负脉冲交替充电，模拟部分荷电和深度放电的实际使用特点，进行不同的充电模式循环对比实验，同时对失效单体电池进行了容量恢复实验。实验中对电池进行正负级电位测量分析，验证对其结构的恢复作用，并对修复结果稳定性进行验证。实验结果表明，间歇-正负脉冲充电提高了正负极的活性，抑制了浓差极化的形成，且修复结果稳定，从而有效提高了电池的循环寿命。

在进行大电流充电的情况下，脉冲充电方式可以有效减小和消除了锂离子电池的极化现象，因此可以对其进行快速充电，并且对电池的损害程度大幅度减小。

至于脉冲充电过程的微观机理的认识现在较为匮乏，目前国内有浙江大学化学工程与生物工程学院的研究人员对采用特定脉冲电流为锂离子电池充电的设计。该研究的成果已在Science Advances 上发表，其中研究实验证实了脉冲充电频率和幅值可以有效的调控锂离子溶剂化结构特征，对比直流电流，脉冲充电大大改善了锂离子在电极表面的沉积，同时锂枝晶生长的可能性大大减小。通过该研究得出并且解释了脉冲特征、锂离子扩散、锂枝晶生长这三者的内在联系。

而为了使得锂离子电池能够在进行大电流充电的情况下，通过脉冲充电方式来有效减小和消除了锂离子电池的极化现象，可以对其进行快速充电，并且对电池的损害程度减小。

结论：

对于实现锂离子电池大容量高效快速充电，研究人员正在做着许多实验研究，与此同时，已经取得了一些重大成就。如何在微观上解释脉冲充电，如何更好地利用脉冲改善锂离子在电极表面的沉积，同时使锂枝晶生长的可能性大大减小等等，这些问题在目前的研究阶段已经取得初步的可观的成绩，相信在接下来的科研实验中，会有更进一步的实验成果出现，用以解释该脉冲充电，以及利用锂离子电池脉冲充电解决目前锂离子电池所面临的发展瓶颈问题，为更进一步的大容量锂离子电池作出更多的贡献。在目前研究阶段得出结论，在进行大电流充电的情况下，脉冲充电方式可以有效减小和消除了锂离子电池的极化现象，因此可以对其进行快速充电，并且对电池的损害程度大幅度减小。

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